Introduzione IX
1 Fanghi da depurazione civile 1
1.1 Il trattamento delle acque 1
1.2 Il trattamento dei fanghi da depurazione 3
1.2.1 Ispessimento 5
1.2.2 Stabilizzazione biologica dei fanghi 6
1.2.3 Disidratazione 8
1.3 Tecnologie di smaltimento dei fanghi da depurazione 10
1.3.1 Compostaggio 10
1.3.2 Ossidazione ad umido 12
1.3.3 Liquefazione 13
1.3.4 Incenerimento 13
1.3.5 Pirolisi 14
1.3.6 Gassificazione 16
1.4 Smaltimento dei fanghi da depurazione civile:
situazione attuale 18
1.5 Normativa 25
2 La gassificazione come tecnologia alternativa di
smaltimento 31
2.1 Gestione del Servizio Idrico in Toscana 31
2.2 La scelta della gassificazione 35
2.3 Caratteristiche dei fanghi prodotti dalle ATO toscane 37
IV
3 Il processo di Gassificazione 41
3.1 Generalità 41
3.2 Il processo di gassificazione 43
3.2.1 Essiccamento 46
3.2.2 Pirolisi 46
3.2.3 Ossidazione 47
3.2.4 Gassificazione 47
3.3 Tecnologie di gassificazione 49
3.3.1 Impianti per la produzione di gas a basso contenuto calorico 49
3.3.2 Impianti di gassificazione a letto fisso 50
3.3.3 Impianti di gassificazione a letto fluido 55
3.4 Trattamento del syngas 60
3.4.1 Particolato 61
3.4.2 Impianti di abbattimento dello zolfo 64
3.4.3 Acido cloridrico 67
3.4.4 Impianti di abbattimento del tar 70
4 Gassificazione dei fanghi: stato dell’arte 71
4.1 Introduzione 71
4.2 Sperimentazione su scala di laboratorio 72
4.3 Impianti pilota 77
4.4 Impianti full-scale 86
4.5 Co-gassificazione dei fanghi con altre biomasse 91 4.6 Gassificazione dei fanghi: modellazione matematica 94
5 Impianto pilota 95
5.1 Generalità 95
5.2 Sezione di alimentazione 97
5.3 Sezione di reazione 98
5.3.1 Sezione di allontanamento gas 99
5.3.2 Sezione di gassificazione 99
V
5.3.3 Sezione di raccolta ceneri 101
5.4 Sezione di depurazione del gas prodotto 101
5.5 Gestione dell’impianto 105
6 Materiali e metodi 107
6.1 Materiali 107
6.1.1 Fango 107
6.1.2 Pellet di legno 108
6.2 Metodi d’analisi 109
6.3 Analisi immediata 110
6.4 Analisi elementare 112
6.5 Analisi termogravimetrica (TGA) 114
6.6 Spettrometria ad emissione atomica con plasma
induttivo (ICP-AES) 118
6.7 Test di lisciviazione delle ceneri 120
6.8 Gascromatografia 121
6.8.1 Generalità 121
6.8.2 Strumentazione 126
6.8.3 Analisi qualitativa 134
6.8.4 Analisi quantitativa 135
6.9 Spettrometria di massa 136
6.9.1 Generalità 136
6.9.2 Strumentazione 137
6.10 Accoppiamento di gascromatografia e spettrometria di
massa (GS - MS) 145
6.10.1 Metodo di analisi scelto per il caso in esame 145
6.10.2 Configurazione adottata 146
6.10.3 Parametri tecnici 148
6.10.4 Metodo operativo 149
6.10.5 Considerazioni sulle colonne capillari impiegate 149
VI
7 Attività sperimentale 153
7.1 Conduzione della campagna sperimentale 153
7.2 Caratterizzazione delle biomasse 154
7.2.1 Risultati dell’analisi immediata 154
7.2.2 Risultati dell’analisi elementare 155
7.2.3 Risultati dell’analisi TG 155
7.2.4 Altre caratteristiche fisiche 157
7.3 Messa a punto dell’impianto pilota 159
7.3.1 Interventi sulla sezione di alimentazione 159
7.3.2 Interventi sul reattore 160
7.3.3 Sistema di recupero termico 161
7.3.4 Interventi sulla sezione di depurazione del syngas 162
7.3.5 Interventi di automazione 164
7.4 Conduzione delle prove sperimentali 165
7.4.1 Accensione dell’impianto 165
7.4.2 Gestione dello stazionario 166
7.4.3 Spegnimento dell’impianto 167
7.5 Calibrazione della strumentazione d’analisi 167
7.5.1 Introduzione 167
7.5.2 Cromatogrammi di calibrazione 168
7.6 Prestazioni dell’impianto pilota 172
7.6.1 Parametri operativi 172
7.6.2 Parametri monitorati 173
7.6.3 Parametri calcolati 177
7.7 Risultati delle prove sperimentali 178
7.7.1 Prove con pellet di legno 178
7.7.1.1 Caratterizzazione primaria del syngas 178
7.7.1.2 Caratterizzazione degli altri composti del syngas 183 7.7.2 Prove con alimentazione 70% pellet e 30% fango 186
7.7.2.1 Caratterizzazione primaria del syngas 186
VII 7.7.2.2 Caratterizzazione degli altri composti del syngas 190 7.7.3 Prove con alimentazione 30% pellet e 70% fango 193
7.7.3.1 Caratterizzazione primaria del syngas 194
7.7.3.2 Caratterizzazione degli altri composti del syngas 197
7.7.4 Prove con fango 199
7.7.4.1 Caratterizzazione primaria del syngas 199
7.7.4.2 Caratterizzazione degli altri composti del syngas 203 7.7.5 Rielaborazione e confronto dei risultati ottenuti 205
7.8 Caratterizzazione dei rifiuti del processo 214
7.8.1 Analisi delle ceneri 214
7.8.2 Analisi del tar 216
7.9 Interventi di ottimizzazione dell’impianto 218
7.9.1 Copertura interna del reattore con materiale refrattario 218
7.9.2 Interventi per automatizzare il processo 219
7.9.3 Cambiamento della configurazione di impianto 220
8 Modellazione di processo 225
8.1 Introduzione 225
8.2 Approccio alla modellazione 225
8.2.1 Principali assunzioni 228
8.2.2 Composizione del fango 229
8.2.3 Essiccamento 230
8.2.4 Pirolisi 232
8.2.5 Combustione e gassificazione 235
8.3 Equazioni costitutive del modello 242
8.3.1 Impostazione generale del sistema di equazioni 243 8.3.2 Integrazione delle equazioni con le cinetiche proposte 247
8.4 Implementazione del modello in Matlab 254
8.5 Risultati delle simulazioni 258
Conclusioni 269
VIII
